染料敏化太阳能电池光阳极的制备、性质和光电转换机理研究

摘要

染料敏化TiO2太阳能电池具有可见光响应强、光电转换效率高、环境友好和成本低等优点，对于新能源开发应用具有广阔的发展前景。但是，在光电转换的过程中，光生电子将通过染料敏化TiO2太阳能电池的光阳极中的表面、界面缺陷，如，表面氧空位能级等与价带的光生空穴复合，从而降低了太阳能电池的光电转换效率。本论文针对上述难题，设计和制备了一系列新型染料敏化TiO2太阳能电池的光阳极，详细研究了光阳极的物理化学性质，测定了染料敏化太阳能电池的光电转换效率，并讨论其光电转换机理。主要研究内容如下:
　　 1、采用改性的TiCl4水解法制备出TiO2-5、TiO2-10和TiO2-20三种不同表面性质的样品。利用Rup2P（（1，10-邻菲咯啉）2-2-（2-吡啶基）苯咪唑钌混配配合物）作为敏化剂，制备出Rup2P/TiO2-5/ITO、Rup2P/TiO2-10/ITO和Rup2P/TiO2-20/ITO表面敏化薄膜电极。测试结果表明三种薄膜电极的光电转换效率为Rup2P/TiO2-10/ITO最高，Rup2P/TiO2-20/ITO次之，Rup2P/TiO2-5/ITO最低。利用吸收光谱(DRS)、表面光电压谱(SPS)、荧光光谱(PL)和表面光电流作用谱等分析了Rup2P和三种TiO2的能带结构和表面性质;利用光致循环伏安和表面光电流作用谱研究了三种薄膜电极的光致界面电荷转移过程。结果证明，在光致界面电荷转移过程中，TiO2层表面氧空位对Rup2P/TiO2-X/ITO薄膜电极光致电荷转移产生重要影响，并进一步讨论了Rup2P/TiO2-X/ITO薄膜电极的光电流产生机理。
　　 2、采用溶胶-凝胶法制备出In表面修饰的TiO2(TiO2-Inx％)纳米粒子。利用N719（二（四丁基铵）顺式-双（异硫氰基）双（2，2'-联吡啶-4，4'-二羧酸）钌(Ⅱ))作为敏化剂，制备出N719/TiO2/FTO和N719/TiO2-Inx％/FTO染料敏化薄膜电极。光电转换效率实验表明，N719/TiO2-Inx％/FTO薄膜电极的光电转换效率均高于N719/TiO2/FTO，其中N719/TiO2-In0.1％/FTO的光电转换效率比N719/TiO2/FTO提高了20％。利用X射线衍射谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光光谱(PL)和表面光电流作用谱确定了TiO2-Inx％样品中In离子的存在方式和能带结构;利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO2-Inx％/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程。结果表明，In离子在TiO2表面形成O-In-Cln（n=1或2）物种，该物种的表面态能级在导带下0.3eV;在光电流产生过程中，O-In-Cln(n=1或2)表面态能级有效地抑制了光生载流子在TiO2-Inx％层的复合，促进了阳极光电流的增加，从而导致N719/TiO2-Inx％/FTO薄膜电极的光电转化效率高于N719/TiO2/FTO，并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理。
　　 3、采用溶胶-凝胶法制备出Sn掺杂的TiO2(TiO2-Snx％)纳米粒子。利用N719作为敏化剂，制备出N719/TiO2/FTO和N719/TiO2-Snx％/FTO染料敏化薄膜电极。利用X射线衍射谱（XRD）、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光光谱(PL)和表面光电流作用谱确定了TiO2-Snx％样品中Sn离子的存在方式和能带结构。研究结果表明，Sn离子以取代式掺杂方式进入TiO2晶格，在TiO2下方0.1eV处形成掺杂能级;在光电流产生过程中，掺杂能级有效地抑制了光生载流子在TiO2-Snx％层的复合，促进了阳极光电流的增加。光电转换效率实验表明，N719/TiO2-Snx％/FTO薄膜电极的光电转换效率均高于N719/TiO2/FTO，其中N719/TiO2-In0.2％/FTO的光电转换效率比N719/TiO2/FTO提高了46％。同时，利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO2-Snx％/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程，并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理。
　　 4、采用溶胶-凝胶法制备出B掺杂的TiO2(TiO2-Bx％)纳米粒子。利用N719作为敏化剂，制备出N719/TiO2/FTO和N719/TiO2-Bx％/FTO染料敏化薄膜电极。利用X射线衍射谱(XRD）、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光光谱(PL)和表面光电流作用谱确定了TiO2-Bx％样品中B离子的存在方式和能带结构。结果表明，B离子以间隙式掺杂方式进入TiO2晶格，掺杂能级的位置在TiO2价带上方0.1eV。在光电流产生过程中，B掺杂有效地抑制了光生载流子在TiO2-Bx％层的复合，促进了阳极光电流的增加。光电转换效率实验表明，N719/TiO2-Bx％/FTO薄膜电极的光电转换效率高于N719/TiO2/FTO，其中N719/TiO2-B0.05％/FTO的光电转换效率比N719/TiO2/FTO提高了15.8％。利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO2-Bx％/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程，并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理。

目录

声明

摘要

第一章 前言

第一节 研究背景

1．1．1 太阳能简介

1．1．2 太阳能电池的发展和分类

第二节 纳米TiO2材料

1．2．1 纳米TiO2的晶体结构

1．2．2 纳米TiO2的能带结构

1．2．3 纳米TiO2的制备方法

1．2．4 纳米TiO2多孔薄膜的制备方法

1．2．5 纳米TiO2多孔薄膜的应用

第三节 染料敏化太阳能电池的研究及发展

1．3．1 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．3．2 染料敏化太阳能电池的结构

1．3．3 染料敏化太阳能电池的性能评价

第四节 染料敏化太阳能电池光阳极TiO2薄膜的研究进展

1．4．1 表面处理TiO2薄膜

1．4．2 离子掺杂TiO2薄膜

1．4．3 TiO2复合薄膜

1．4．4 微观有序一维结构TiO2薄膜

1．4．5 TiO2核壳结构薄膜

1．4．6 纳微结构表面修饰TiO2薄膜

第五节 选题的意义和主要研究内容

参考文献

第二章 TiO2表面氧空位对Rup2P／TiO2／ITO薄膜电极光致电荷转移的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

2．2．1 实验药品及主要仪器设备

2．2．2 样品的制备

2．2．3 样品的表征

2．2．4 光电转换效率测试

第三节 实验结果和讨论

2．3．1 Rup2P的吸收光谱和SPS谱

2．3．2 TiO2粉末的性质

2．3．3 TiO2／ITO薄膜的光电特性

2．3．4 Rup2P／TiO2／ITO薄膜电极的光电特性

2．3．5 Rup2P／TiO2／ITO薄膜电极的光电流产生机理

第四节 本章小结

参考文献

第三章 表面In掺杂TiO2对N719／TiO2-Inx%／FTO薄膜电极光电转换效率的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

3．2．1 实验药品及主要仪器设备

3．2．2 样品的制备

3．2．3 样品的表征

3．2．4 光电转换效率测试

第三节 实验结果和讨论

3．3．1 N719／TiO2-Inx%／FTO薄膜电极光电转换效率

3．3．2．TiO2-Inx%的结构与能带

3．3．3．TiO2-Inx%／FTO薄膜的光电流作用谱

3．3．4．N719／TiO2-Inx%／FTO薄膜电极光电流作用谱

3．3．5．N719／TiO2-Inx%／FTO薄膜电极光电流产生机理

第四节 本章小结

参考文献

第四章 Sn掺杂TiO2对N719／TiO2-Snx%／FTO薄膜电极光电转换效率的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

4．2．1 实验药品及主要仪器设备

4．2．2 样品的制备

4．2．3 样品的表征

4．2．4 光电转换效率测试

第三节 实验结果和讨论

4．3．1 N719／TiO2-Snx%／FTO薄膜电极光电转换效率

4．3．2．TiO2-Snx%的结构与能带

4．3．3．TiO2-Snx%／FTO薄膜的光电流作用谱

4．3．4．N719／TiO2-Snx%／FTO薄膜电极光电流作用谱

4．3．5．N719／TiO2-Snx%／FTO薄膜电极光电流产生机理

第四节 本章小结

参考文献

第五章 B掺杂TiO2对N719／TiO2-Bx%／FTO薄膜电极光电转换效率的影响

第一节 引言

第二节 实验部分

5．2．1 实验药品及主要仪器设备

5．2．2 样品的制备

5．2．3 样品的表征

5．2．4 光电转换效率测试

第三节 实验结果和讨论

5．3．1 N719／TiO2-Bx%／FTO薄膜电极光电转换效率

5．3．2．TiO2-Bx%的结构与能带

5．3．3．TiO2-Bx%／FTO薄膜的光电流作用谱

5．3．4．N719／TiO2-Bx%／FTO薄膜电极光电流作用谱

5．3．5．N719／TiO2-Bx%／FTO薄膜电极光电流产生机理

第四节 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历

博士在学期间科研成果